地锚式大跨径预应力混凝土斜拉桥的抗震设计

武汉交通科技大学学报

JournalofWuhanTransportationUniversity

Vol.23　No.4August1999

地锚式大跨径预应力混凝土斜拉桥的抗震设计

α

何雄君1)　姜友生2)　裴丙志2)宋继宏2)　邓　海2)　何　劲2)

(武汉交通科技大学土木建筑工程系1)　武汉　430063)

(湖北省交通规划设计院2)　武汉　430051)

摘要:目前对大跨桥梁,尤其是缆索类大跨结构,如斜拉桥、吊桥等的抗震设计尚无成熟的规范.针对主跨414m的郧阳汉江公路大桥的设计,介绍了地锚式大跨径PC斜拉桥抗震设计中跨中接头设计、主塔处主梁横向限位支座的减振设计、合理的预应力体系及普通筋配置、局部设计等措施,说明其抗震设计机理.

关键词:地锚式;PC斜拉桥;抗震设计中图法分类号:U441

0　引　　言

引起桥梁确定性振动或随机振动的因素,除

车辆荷载外,主要有风振、雨振及地震.近些年来逐步形成了振动控制的理论,并取得了一些宝贵的经验.

地震发生后,地震波的传播在沿途地基上将产生振动,通过基础激发构造物振动,这时地基土、基础、结构将相互作用.结构的地震响应除地震波本身的因素外,主要由3方面决定:一是地基土的特性(场地条件);二是土—桩—结构的相互作用特性;三是结构本身的振动特性.在地震荷载作用下的抗震分析,不论是线性或非线性或考虑

行波的相位差效应或多点激振,都属动力学问题.而据此进行的抗震设计则主要指结构拓扑、配筋方案、有关部位隔震或减震器的研究和采用.

图1为交通部科技发展基金重点项目“地锚式大跨径斜拉桥关键技术研究”的依托工程——郧阳汉江公路大桥.该桥为主跨414m的特大跨地锚式PC斜拉桥,抗震分析设计为关键技术研究之一,下面在所作抗震分析的基础上进一步阐明该类桥型抗震设计的有关问题.

1　地锚式大跨预应力混凝土斜拉桥

结构特点

一般来讲,地锚式斜拉桥都有一个起“地锚”作用的构造,并有一部分或全部背索锚固其上,跨中设接头.因此与自锚式的全漂浮体系相比,地锚式斜拉桥如同半漂浮的体系.

郧阳汉江公路大桥桥位处为典型的U型河床,常水位时水面宽约340m,水深40余米,河床为风化砂砾岩,无覆盖层.两岸被厚3～18m第四纪粘性土和1132～9139m的粉砂层覆盖,下卧层

图1　郧阳汉江公路大桥

为砂砾岩,风化层厚5～815m.该桥跨度配置为86m+414m+86m,桥面净空标准:净

α收稿日期:19981020

　　　　何雄君:男,34岁,副教授

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-9m+2×115m,桥面全宽1516m.

武汉交通科技大学学报1999年　第23卷

平衡锚固桥台及锚孔主梁长度均为43m,边跨与主跨之比为0.208,每塔两侧各布置2×25根斜拉索,呈双斜面半扇形密索体系布置,背索有21对锚固在平衡重锚固桥台上,标准索距主梁上为8.0m,锚固桥台上为2.0m,索塔上为1.2m,桥面以上塔高90.62m,主塔全高108.5m.

主塔与主梁分离,主梁与锚固桥台刚接,跨中设能抗弯、剪、扭的无轴力梢式接头.该桥“地锚”即平衡重锚固桥台,该处表层为22～27m深的轻亚粘土和粉砂土,以下为微风化砂岩.根据地质条件的,设计成空腔式箱形地锚,9道横隔板和3道纵腹板将全箱分隔成16个腔室,室内填充砂砾.

2　地锚式斜拉桥抗震设计措施

211　跨中接头设计

为考查跨中接头形式的正确性,分别计算了铰接和能抗弯、剪、扭的无轴力接头两种情况.后者第一周期(第一振型为正对称侧向弯曲)大于前者,而有关控制断面的地震响应明显小于前者,说明该桥所采用跨中接头形式不仅满足一般营运要求,对动力也是有利的.

这也说明在桥梁的抗震设计中,各构件的连接形式有着重要的地位.构件连接形式合理,有利于耗散地震能量,减轻地震对桥梁的作用.尤其在强震时,起到不能用加大断面尺寸及改善布筋等加强措施来弥补的效果,这也是结构抗震设计值得研究的课题.

该桥接头段共25m长,此处主梁为单箱四室断面,箱底板宽由标准段的616m增至12116m.跨中两侧主梁上各设两条支承横梁,间跨4m,厚36cm,近跨中的两支承横梁中距113m.

接头通过四室各嵌套一宽120cm,宽100cm,长10m的钢箱实现.钢箱与支承横梁之间设四氟滑板支座,以便伸缩并传递剪力及弯、转矩.

无轴力接头考虑了竖向挠曲及偏心荷载的扭矩,同时还考虑了按450Pa基本风压计算的横向挠曲力矩.

伸缩缝设置在跨中,采用板式组合伸缩装置,最大伸缩量350mm.

212　主梁处主梁横向限位支座

如将主塔和主梁间的横向限位支座模拟为一横向连接单元,按刚性单元和柔性单元两种情况

考虑,则后者第一振型(梁近似对称横向弯曲)的周期增大,频率变小,有关控制断面地震响应变小.因此此处的横向限位支座宜采用隔振支座.与自锚式的全漂浮体系相比,这一点对地锚式斜拉桥更为重要.

213　合理的预应力体系和普通筋布置

合理的预应力度及普通筋配筋率,可提供较好的延性,是PC结构抗震设计的一个重要点.所谓延性,是指结构毁坏之前,在承载能力无显著下降的条件下,经受非弹性变形的能力.广义地讲,延性是反映塑性铰区截面转动的能力;是结构承受地震荷载时吸收能量的能力.并非预应力越大越好,有一些部分预应力构件是可行的.

该桥采用三向预应力.对主梁来说,纵向预应力采用24因为结构失效往往最先从局部开始,尤其是缆索结构体系更是如此.斜拉桥的局部设计,尤其是缆索锚固区的局部设计,是斜拉桥设计的一个难点,且在诸如地震等激励的作用下,极易产生交变应力,造成疲劳破坏.

斜拉缆索索力大,最大索力近5000kN,缆索锚固区极易产生应力集中现象,往往计算与光弹试验同时进行.

对主梁来讲,锚座设计成楔状块形式.锚固端面尺寸为cm×cm和68cm×68cm两种.根据设计缆索拉力的大小,锚座楔块端面设28～42

.锚座中设置钢护筒,钢护筒(外mm厚的锚垫板

径×壁厚)设计成<245×8,<273×10,<299×10,<315×10共4种形式.将缆索护筒和锚垫板焊接成一整体构件,并在锚垫板上和护筒之间用加劲钢板加强.

由于该桥边翼缘板仅70cm厚,桥梁跨度大,设计索力大,因此在锚垫板沿缆索的方向布置了直径为20mm的螺旋钢筋,同时沿该方向布置成一笼状钢筋网,在钢筋笼3个方向的网状钢筋直径均为20mm.在缆索进出箱梁顶底面范围内布置直径20mm的上下层钢筋网,从而有效地保证局部的强度要求.

3　抗震设计机理分析

以上措施,属结构地震反应控制的范畴.结构

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　第4期何雄君等:地锚式大跨径预应力混凝土斜拉桥的抗震设计・409・

地震反应控制同一般振动控制一样,包括被动控制、主动控制及混合控制.

被动控制是为隔离、减少或消耗输入结构内的地震能量所采取的措施.如经过分析,事先在结构内某部位安装经过调整的弹簧、阻尼器等装置,或如上文改善结构构件联接、优化结构拓朴、提高结构延性性能等,使共振难以发生并减少主体结构地震反应.在实际设计工作中,理论与成功经验并重是必要的.

主动控制是在结构因地震发生振动后,事先设计的自动控制系统,瞬间改变结构的刚度、阻尼或质量或施加控制力以衰减地震反应.混合控制是同时采用被动控制和主动控制方法.

目前在桥梁振动控制中,主要采用被动控制方法,且其在大跨地锚式斜拉桥地震反应控制中的应用,还值得深入研究.主动控制和混合控制到目前为止还未见其具体应用.

2)主塔处主梁横向限位支座采用隔振支座

可避免对塔的冲撞,保证主塔的安全运行.为抑制缆索的振动,可在其两端靠近锚头的附近安装液压减振器或橡胶减振器.

3)合理的预应力体系和普通钢筋布置以保证PC结构较好的延性,对抗震有利.至于延性系数与配筋率之间的关系,尚需进一步研究.

4)局部设计(尤其是锚座局部设计)应根据整体分析和局部分析,把握局部区域控制点的主应力大小和方向,确定局部配筋设计.局部设计亦是抗震设计的要点.

参考文献

1　彭　新,何儒清.郧阳汉江公路桥设计.1994年斜拉桥

国际学术讨论会论文集,上海:同济大学出版社,

19941110～120

2　李桂青.抗振结构计算理论和方法.北京:地震出版

社,19851193～206

3　顾　明,项海帆.被动对大跨斜拉桥风致抖振的

4　结束语

1)跨中接头设计是抗震设计应重视构件联

控制.土木工程学报,1993(2):202～205

4　陈　新.黄山太平湖大桥索塔振动控制研究.桥梁建

设,1998(2),19～22

5　普瑞斯特MJN,塞勃勒F,卡尔维GM.桥梁抗震设

接方式研究的重要体现.郧阳汉江公路大桥采用

能抗弯、剪、扭的无轴力梢式接头是一种成功的偿试.

计与加固.袁万城,胡　勃,崔　飞译.北京:人民交通出版社,19971310～361

AseismicDesignofLongSpanEarth2anchoredPrestressed

ConcreteCable2stayedBridges

HeXiongjun　JiangYousheng　PeiBingzhi

2)2)2)

SongJihong　DengHai　HeJing

(DepartmentofCivilEngineering,WTU,Wuhan4300631))(TrafficPlanningandDesignInstituteofHubeiProvince2))

Abstract

Atpresenttherehasnotbeenamaturestandardofaseismicdesignforbridgeswithlongspan,es2peciallyforcable2structures,suchascable2stayedbridgesandsuspensionbridges.Thispaperexpoundstheaseismicmechanismbyintroducingtheaseismicdesignmeasurementsconcerningmid2spanjoint,vibration2segregationforcrosswisedisplacementlimitofthemainbeamatthetowers,reasonabledis2positionofprestressedbundlesandreinforcebars,partialdesignofearth2anchoredcable2stayedbridgeswithlongspanbasedonthesuccessfuldesignofYunyangHan2riverHighWayBridgewith414mmainspan.

Keywords:earth2anchored;prestressedconcretecable2stayedbridges;aseismicdesign

1)

2)

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